成浩嘉，陳永健

（福州大學，福建 福州 350000）

1 雙層鋼桁架橋梁發(fā)展概況

進入21世紀后，隨著全球經濟的大發(fā)展，橋梁越來越寬，2片主桁的橋梁結構越來越難以滿足社會發(fā)展對橋梁功能的要求，采用3片主桁的橋梁已經開始出現(xiàn)；橋梁的結構形式也越來越多樣化，如連續(xù)鋼桁梁橋、連續(xù)鋼桁梁拱橋、連續(xù)鋼桁梁斜拉橋等大跨度鋼桁梁橋在我國鐵路中得到廣泛應用。

2 雙層鋼桁架橋梁靜力模擬試驗

2.1 試驗模型設計

試驗采用1∶5縮尺模型，取用某橋的一段主墩及鄰跨的節(jié)段建立模型。模型縮尺后的示意圖如圖1所示。

圖1 模型俯視圖

2.2 試驗加載區(qū)域

此次試驗采用力控制加載的方式對模型施加豎向荷載?？紤]到模型尺寸過大且實驗室條件有限，對模型直接施加整體的均布荷載比較麻煩，因此采用對主桁上弦節(jié)點區(qū)域施加集中荷載的方式來均布荷載。由于主墩區(qū)域構造及受力較為復雜，且主墩處腹桿為變高度區(qū)域最長腹桿，其穩(wěn)定性對整體結構的受力至關重要。因此，選擇主墩區(qū)域為加載區(qū)域，對主墩處上弦桿的4個節(jié)點進行同步加載。加載示意圖如圖2所示。

2.3 試驗數(shù)據(jù)分析

圖2 加載示意圖

圖3 上弦測點荷載-位移圖

圖4 下弦測點荷載-位移圖

（1）位移數(shù)據(jù)處理。整個模型在節(jié)點及支座處共布置了20個位移測點，每個測點設置1個豎向位移計測量結構豎向位移。由于采用對稱加載，因此只選取其中一片主桁進行數(shù)據(jù)分析，同時在實際數(shù)據(jù)處理時也可根據(jù)2片主桁的測試結果進行相互修正。結構上下弦桿各位移測點的荷載-位移圖如圖3、圖4所示。由圖3、圖4可知，各位移測點的荷載-位移均表現(xiàn)出較好的線性關系，圖像基本都近似于一條直線，未出現(xiàn)任何進入塑性階段的突變。這表明在試驗加載過程中，加載量及加載速度控制較好，且結構一直處于彈性階段。對比各位移測點的荷載-位移曲線可知，結構上弦測點中，測點2（加載點處）的位移隨荷載增長的幅度最大，位于加載點處的測點1由于受邊界支座的影響，其位移增長幅度小于測點2，其他測點則隨著距離加載點越遠，其位移增長幅度也越小但相鄰測點間減小的幅度相差不大。說明主桁結構在縱向上傳力比較均勻，結構連續(xù)性較好；結構下弦測點同樣表現(xiàn)為距離加載點越近，位移增長幅度就越大，其中測點13距加載點最近，其位移增長幅度最大。

（2）應變數(shù)據(jù)處理。第一，上弦桿。通過對試驗數(shù)據(jù)的初步分析可知，在荷載作用下，上弦桿A2A3受力較大，其他上弦桿均受力較小，且上弦桿A2A3位于主墩支座上方，受力復雜，因此對上弦桿A2A3進行分析。荷載作用下上弦桿A2A3上下緣軸向應變測點的荷載-應變圖如圖5所示。圖5中給出應變實測值和理論值，應變以受拉為正，受壓為負。由圖5可知，上弦桿A2A3應變測點在各工況下的荷載-應變基本呈現(xiàn)出較好的線性關系，未出現(xiàn)任何進入塑性階段的突變，表明在試驗加載過程中結構一直處于彈性階段。其中，桿件下緣應變測點在500kN之后，其荷載-位移曲線開始趨向平緩，但這并不代表桿件進入塑性階段，結合整體數(shù)據(jù)可知，此時桿件應該仍處于彈性階段。桿件在加載到最大加載級（600kN）時，上緣應變實測值為-12.95με，下緣應變實測值為75.13με。在荷載作用下，上弦桿A2A3桿中為上緣受壓、下緣受拉，上緣測點實測應力值為2.67MPa，下緣測點實測應力值為15.48MPa，可知下緣拉應力要遠大于上緣壓應力，表明上弦桿除受軸向力外還受到較大的彎矩應力的影響，但總體桿件的應力水平偏低，小于材料的屈服強度345MPa。

圖5 荷載-應變圖

第二，下弦桿。對主墩處下弦桿E1E2和E2E3應變數(shù)據(jù)進行分析。下弦桿E1E2和E2E3應變測點的荷載-應變呈現(xiàn)出較好的線性關系，并沒有出現(xiàn)進入塑性階段的突變，因此判斷結構一直處于彈性階段。桿件均表現(xiàn)為上緣受拉，下緣受壓的受力形式，而且上下緣應變相差很大，這是因為下弦桿除受軸向力外，還受到主墩負彎矩的影響。下弦桿E1E2上緣實測應變值為59.61με，下緣實測應變值為-54.76με；下弦桿E2E3上緣實測應變值為37.91με，下緣實測應變值為-55.19με。在荷載作用下，下弦桿E1E2和E2E3桿中受力形式表現(xiàn)為上緣受拉，下緣受壓且上下緣相差較大，說明受主墩處負彎矩影響較大。實測最大應力為12.28MPa，位于下弦桿E1E2上緣測點處，實測最大壓應力為-11.37MPa，位于下弦桿E2E3下緣測點處?？梢姉U件實測應力不大，均小于材料的屈服強度345MPa。

第三，腹桿。在各工況作用下，腹桿A2E2和腹桿A3E2均處于受壓狀態(tài)，應變測點的荷載-應變均呈現(xiàn)出非常好的線性關系，應變隨荷載線性遞增，圖像幾乎是一條直線，未出現(xiàn)任何進入塑性階段的突變，表明桿件一直處于彈性階段。腹桿A2E2左緣實測應變?yōu)?272.14με，右緣實測應變?yōu)?239.42με；腹桿A3E2左緣實測應變?yōu)?302.83με，右緣實測應變?yōu)?374.03με。在各工況最大加載級作用下，腹桿A2E2和腹桿A3E2以受壓為主且應力水平較高，腹桿左右緣應力往往不同，但相差較小，表明腹桿所受主墩負彎矩的影響比上下弦桿小。實測最大壓應力為-77.05MPa，位于腹桿A3E2右緣處。可見，腹桿實測應力仍然小于材料的屈服強度345MPa。由于在主墩工況作用下，主墩處腹桿應力較大，因此對主墩處腹桿A2E2和A3E2進行穩(wěn)定性驗算，選取腹桿在荷載下最大實測應力進行驗算，腹桿A2E2取左緣應力值-56.06MPa，腹桿A3E2取右緣應力值-77.05MPa。按軸向受壓穩(wěn)定對腹桿進行驗算，根據(jù)《鐵路橋梁鋼結構設計規(guī)范》（TB 10091—2017），穩(wěn)定性計算公式如下：

式中：N為計算軸向力；為毛截面積（N/Am表示桿件應力）；為中心受壓桿件的容許應力折減系數(shù)，可根據(jù)鋼種、截面形狀及驗算所對的軸按規(guī)范規(guī)定取值，腹桿A2E2取為0.762，腹桿A3E2取為0.757；為鋼材軸向容許應力，對試驗所用Q345B鋼，按規(guī)范取為200MPa。

將腹桿實測應力代入可得：

因此，主墩處腹桿的軸向穩(wěn)定性滿足要求。

3 總結

綜上所述，在荷載作用下，結構實測位移和應變均與荷載保持較好的線性關系，說明結構在試驗過程中一直處于彈性階段。結構的豎向變形很小，最大僅為2.16mm，位于加載點處，說明結構在主墩處具有較大的豎向剛度。主墩處上下弦桿應力較小，但桿件上下緣應力相差較大，表明主墩處上下弦桿受彎矩應力影響較大；而主墩處腹桿應力較大但左右緣應力相差較小，表明腹桿受彎矩應力影響較小。主墩處桿件最大應力為-77.05MPa，位于腹桿A3E2右緣測點處，遠小于材料的屈服強度345MPa，表明結構在主墩處具有較大的剛度和安全儲備。同時，對主墩處腹桿的穩(wěn)定性驗算可知，主墩處腹桿滿足軸向受壓穩(wěn)定的要求。